基于拉压试验机的一种剪切试件设计及优化

李仲华　余志丹　郑策　张继鑫　叶子健　魏刚

摘要：运用有限元数值模拟和实验相结合的方法，设计一种能在拉压试验机上开展剪切性能试验的试件，使其能方便稳定地开展典型金属材料的剪切试验。

关键词：金属剪切加工；剪切试验件；拉压试验机；数值仿真模拟

本文的主要涉及低速范围内金属剪切试验，主要以有限元数值模拟和实验室内的拉压试验相结合的方法开展研究。针对铝合金材料的剪切试验件，首先运用ABAQUS进行数值模拟，然后在拉压试验机上开展剪切试验进行相应的验证，对获得的实验结果中的各变形和断裂模式进行比较，验证模拟的有效性，并选取出满足设计要求的剪切试验件。

1 剪切试验件的设计及模拟

1.1 设计思路

在参考了应力集中的剪切应力模型后可知：在金属内部缺口附近及其向基体过渡的某一个区域内，存在有一个过渡应变场，或称为协调性应变场，这种应变场的性质是以剪切应变模式存在的，为一个与缺口相关、区域性的、独立的、主导性剪切应变缺口处的剪应变正相关，也可以说是与缺口的尖锐程度或过度的圆角大小有关，结构突变的程度越大，局部尖端的主导剪应变越严重。要设计一种单向拉伸剪切试验件，就必须通过设计凸凹型试样和改变加载方向来获得剪切变形区内的拉剪或压剪应力状态，实现单向剪切条件下变形区内心部应力三轴度由负到正的近纯剪切成形。首先，我们优先考虑了剪切核心部位的形状，通过半圆或者尖角来实现最大化的应力集中，其次是试件连接根部的部位，大多采用了较为光滑的过渡，斜向延伸至后方来保持良好的力的传输特性。参考了相关的文献资料和不断改进设计后，得到了以下几种初步的模型（如下图），其中型号为4和5的试件厚度为4mm其余试件厚度均为1mm。

1.2 建模过程

在原有模型的基础上运用CAE软件进行了仿真模拟，并不断优化了剪切试件核心部位的关键尺寸。衡量试件剪切性能的主要参数指标是试件剪切核心部位的应力三轴度，应力三轴度又称三轴应力度，定义为静水（平均）压力与Mises等效应力的比值，即σm[]σe。

其中静水压力为主应力平均值，即：

σm=1[]3（σ1+σ2+σ3）

Mises等效应力为：

σe=（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ1-σ3）2[]2

当应力三轴度或静水压力的值越趋向于0时，越接近高纯度的剪切效果。

有限元模型的建立：首先按图纸建立几何模型，然后指定材料特性、分析类型，定义边界条件、施加载荷，形成具有完整分析属性的分析模型，最后进行网格划分。

具体以试件4为例：进入部件模块，简历几何模型。 进入屬性模块，完成材料的定义（密度2770kg/m3，杨氏模量717000000000 N/m^2，泊松比0.33），创建截面类型为实体，匀质，完成均匀实体截面属性的定义，然后把截面属性赋予整个部件。进入装配模块，选择创造实例再选择相应部件，创建类型为独立的实例。进入分析步模块，创建一个分析步，程序类型为静力通用，几何非线性关，设时间长度为50，初始增量步为0.1。进入载荷模块，在试件一端面施加大小为2500N的表面载荷，在试件另一端面施加完全固定的边界条件。进入网格模块，近似全局种子尺寸为0.004，剪切带区域设为为边布种，近似单元尺寸为0.0005，网格控制属性对话框中选择单元形状为四面体，技术为自由，单元类型是C3D10.进入作业模块，创建作业开始分析，各试件仿真情况如图所示。其中，个别模型由于剪切关键位置的形状设计不合理导致了非预期位置的剪切力的增大，使试件未发生断裂失效，无法完成纯剪切。其效果图如下所示：

当剪切应力分布均匀，剪切关键部位应力云图显示为一条红色的高亮区域带时，试件剪切效果良好，达到预期设计要求，有限元分析图如下所示：

在可视化模块，选择创建XY数据/ODB场变量输出，在弹出的对话框中选择变量/S/Mises和Pressure，并选择剪切带区域若干个单元。根据应力三轴度=平均应力/等效应力，选择创建XY数据/操作XY数据，则通过Pressure/Mises可得应力三轴度如图，应力三轴度接近0。

2 实验验证过程及结果

2.1 实验设置和概况

剪切试验在电子万能试验机上进行，该拉压试验机型号为UTM6104（最大试验力为10kN，功率0.4kw准确度等级0.5），整个实验装置设置如下图所示。

具体的实验步骤如下：

（1）将五种试件分别编号1～5，每种试件进行多次试验并选取最具代表性的；

（2）测量试件的长度和剪切横截面尺寸；

（3）按图示放置位移引伸计，调整试验机上、下夹头的距离至适合高度，用摆锤检查上、下V型槽是否错位，确保没有错位后将试件装入V型槽内；

（4）试验件竖直放置，设定拉力大小，拉伸速率2mm/min后控制计算机开始实验；

（5）实验结束后，逐级卸掉载荷，仔细观察试件断面。

2.2 实验结果

进入实验阶段的试件模型在进行有限元仿真模拟时应力三轴度都接近于零，但只有型号为4和5的试件发生剪切断裂，且断裂面平整，整体符合设计要求。型号为1、2、3的试件因为试件材料属性、加工精度过低以及剪切应力分布不均匀等原因没有发生断裂失效，与仿真模拟的结果基本一致。各试件试验后的断面情况如图所示：

实验过程中获得的载荷—位移曲线如图所示：

3 总结

通过CAE数值模拟和实验验证，得到了两种能够进行纯剪切试验的试件（编号4和5），可以在万能拉压试验机上方便稳定地开展典型金属材料的剪切试验，并获得剪切性能相关参数。

指导教师：魏刚

参考文献：

[1]2A12铝合金本构关系和失效模型.

[2]刘柯军.应力集中的剪切应力模型探讨.

[3]An experimental and numerical investigation of different shear test configurations for sheet metal characterization.

[4] On fracture locus in the equivalent strain and stress triaxiality space.

[5]剪切应力状态下的6061铝合金的力学性能及断裂行为.

[6]金属棒的高速剪切断裂数值模拟及实验研究.